CNC加工とは？種類、長所、短所、加工ステップ

CNC加工とは？

数値制御（Numerical Control：NC）とは、デジタル化された情報を用いて工作機械の動作や加工を制御する方式のこと。数値制御工作機械は、NC工作機械と略されることが多く、NCシステムを搭載した工作機械を指す。CNC（Computerized Numerical Control）とは、工作機械の移動・加工動作を汎用コンピュータが直接制御する方式。

対応する制御プログラムを変更することにより、ハードウェア回路を変更することなく、CNCシステムの制御機能を変更することができ、したがって、CNCシステムは非常に汎用性と柔軟性があります。これがNC技術の発展方向であり、生産現場で広く応用されている。

数値制御機械加工とは、NC工作機械による部品加工方法を指す。NC工作機械による加工工程は、一般的に従来の工作機械による加工工程と一致しているが、NC加工特有の特性により、一般的な加工工程と比較して顕著な変化が見られる。

CNCマシニングとは、コンピュータ制御による部品や製品の製造・加工を指す。コンピュータ数値制御（CNC）工作機械を使用し、ワークピースを加工・調整することで、ワークピースから余分な材料を自動的に取り除く。

金属は、CNC機械加工で最も一般的に使用される材料であり、最終的な結果は完成品または部品である。

このプロセスはサブトラクティブ・マニュファクチャリングとして知られており、より良いCNC加工のために工作機械の動きを制御するためにコンピュータ・アプリケーションが使用されている。最も一般的な種類と加工工程 CNCマシン 工具にはフライス加工、旋盤加工、研削加工、放電加工などがある。

フライス加工は、3軸、4軸、または5軸に沿って移動する回転カッターを使用して、ワークピースの表面から材料を除去します。この工程は、ワークピースを切断またはトリミングすることにより、複雑な幾何学的形状や精密部品を金属で素早く加工するために使用されます。

一方、旋盤加工では、旋盤を使って円筒形状の部品を製造する。ワークピースはシャフト上で回転し、精密な旋盤に接触する。 ターニングツール 円形エッジ、半径方向および軸方向の穴、溝、グルーブを形成する。

従来の手作業による機械加工に比べ、CNC加工ははるかに速く、寸法精度が高く、誤差が最小限に抑えられます。完成品は設計のコンピューター・コードに適合します。

CNC製造は、最終製品や部品の製造に使用することができるが、通常、少量ロットの短期生産にのみ費用対効果があり、理想的なラピッドプロトタイピング製造方法となっている。

多軸CNC加工

NCフライス加工は、回転カッターを使用して材料を除去するプロセスである。ワークピースは、工具がその上を移動する間、静止しているか、または所定の角度で工作機械に入ることができます。

成形工程の複雑さと速度は、機械が持つ可動軸の数によって決まる。機械の軸数が多ければ多いほど、工程はより速く、より複雑になる。

3軸NC加工

3軸NCフライス加工は、今でも最も広く使用されている一般的な加工プロセスの一つです。

3-で軸加工ワークピースは静止したままで、ロータリーカッターがX、Y、Z軸に沿って切削する。

この加工法は比較的簡単で、単純な構造の製品を作ることができる。しかし、複雑な形状や複雑な部品を持つ製品の加工には適していない。

切削加工は3軸でしか行えないため、加工速度は3軸よりも遅くなる可能性がある。 4軸 または5軸NC加工を行うことができる。これは、希望する形状を実現するために、ワークピースを手動で再配置する必要がある場合があるためです。

4軸NC加工

4軸NCフライス加工は、フライス盤の動きに第4の軸を加える。 切削工具X軸周りの回転を可能にする。

この方法では、X軸、Y軸、Z軸、A軸（X軸を中心に回転）の4軸を使用する。

ほとんどの4軸CNCマシンは、B軸と呼ばれるワークの回転機能も備えている。これにより、フライス盤としても旋盤としても機能する。

必要な場合 ボーリング 部品の側面や円筒の表面に4軸CNC加工を施すことは、理想的な選択です。

加工プロセスを大幅に向上させ、高い加工精度を実現する。

5軸NC加工

5軸NCフライス加工は、4軸NCフライス加工に比べて回転軸が追加されます。

第5軸は通常B軸で、Y軸を中心に回転する。

一部の5軸CNCマシンは、B軸またはC軸として知られるワークピースの回転も可能である。

5軸NC加工は汎用性が高いため、義肢や骨などの医療部品、航空宇宙部品など、複雑で精密な部品の製造によく使用される、 チタン 部品、石油・ガス機械部品、軍需製品など。

CNC加工プロセスとCNCプログラミング

部品加工図に基づく工程分析、加工計画、工程パラメータ、変位データの決定、所定のプログラムコードとフォーマットによる部品加工プログラムシートの作成、プログラムの入力または送信、NCユニットに入力または送信された加工プログラムの試運転、ツールパスシミュレーションなど、正しい操作による工作機械の自動運転、最初のサンプル試運転、加工部品の検査。

CNC加工プログラムは、NC工作機械を駆動して加工を実行する一連の命令であり、NC工作機械のアプリケーションソフトウェアである。CNCプログラミングの主な作業には、部品図解析、工程設計、加工経路計画、工作機械の補助機能決定などがある。CNC加工において重要な段階である。

CNCプログラミングの内容と手順を以下に示す：

部品図解析→加工ルート決定→ツールパス計算→プログラム作成→プログラム入力→プログラム検証・試切削

NCプログラムをコンパイルする方法には、手動プログラミングと自動プログラミングがある。

1）マニュアルプログラミングとは、部品図面の解析、加工手順の策定、工具動作軌跡の計算、部品加工プログラムシートの作成、制御媒体の準備からプログラムのチェックまで、すべての工程を手作業で行うプログラミング方法を指す。形状が複雑でなく、計算が簡単で、加工プログラムが少ない部品では、手書きの方が導入しやすい。

マニュアルプログラミングは、加工プログラムをコンパイルするための基本であり、NC工作機械の現場加工デバッグの主な方法でもある。工作機械オペレーターが習得しなければならない基本スキルである。

複雑な形状の部品、例えば、非円形曲線や表形曲線の輪郭を持つ部品では、手動プログラミングは面倒で、プログラム量が膨大で、エラーの可能性が高く、効率が低く、手動プログラミングでは対応できないため、自動プログラミングを採用する必要がある。

2) 自動プログラミングとは、NC工作機械のプログラム作成作業の大部分または一部をコンピュータで行う方式をいう。自動プログラミングは、プログラマの労力を軽減し、プログラミングの効率と品質を向上させ、手動プログラミングでは対応できない複雑な部品のプログラミング問題を解決する。

情報の入力方法や処理方法の違いによって、自動プログラミングの方法は主に言語プログラミングとグラフィックインタラクティブプログラミングに分けられる。

言語プログラミングでは、特定の高級言語を使用して部品の幾何学的形状と送り経路を定義し、コンピュータが複雑な幾何学計算を行ったり、技術データベースを通じて工具、治具、切削量を選択したりする。より有名なNCプログラミングシステムには、APT（Automatically Programmed Tools）がある。

言語プログラミングは、部品の幾何学的形状を直感的に記述することができないため、NC工作機械で使用される初期のプログラミング手法であり、徐々にグラフィック・インタラクティブ・プログラミング手法に取って代わられた。

グラフィック・インタラクティブ・プログラミングは、あるCAD/CAMソフトウェアに基づいており、加工グラフィックの定義とプロセスパラメータの設定は、人間とコンピュータの対話を通じて完了し、その後、プログラミングソフトウェアが自動的に工具軌跡とCNC加工プログラムを生成する処理を行います。

グラフィック・インタラクティブ・プログラミングは、現在最も一般的に使用されている方法で、代表的なソフトウェアシステムには、Mastercam、UG、Pro/E、その他のCNCプログラミングシステムがあります。

CNC加工の特徴

従来の機械加工と比較して、CNC加工の利点は以下の通りである：

1) ワークへの高い適応性。

CNC工作機械で加工される部品の形状は、主に加工プログラムに依存する。ワークピースが変更された場合、新しいプログラムを再プログラムしてパーツを加工することができるため、特に単品生産、少量生産、試作品テストに適している。さらに、CNCマシニングの制御可能な動きは、通常の工作機械では困難または不可能な複雑な表面加工を可能にする。

2）高い加工精度と安定した製品品質。

CNC工作機械は、通常の工作機械よりも精度が高い。加工プロセスにおいて、CNC工作機械の自動加工モードは、人為的要因による誤差を回避することができ、その結果、同じバッチの部品に対して、寸法整合性が良く、精度が高く、加工品質が非常に安定する。

3）高い生産効率。

CNC工作機械の主軸回転速度と送り速度の調整範囲は、通常の工作機械よりもはるかに大きい。工作機械の剛性が高く、大量の切削が可能であるため、加工時間を効果的に短縮できる。CNC工作機械の可動部の移動速度が速いため、位置決め時間や非切削時間が短縮される。

CNC工作機械は座標に従って動くため、線引きなどの補助作業が省け、補助時間が短縮される。ワークピースは多くの場合、簡単な位置決め装置とクランプ装置に取り付けられ、プロセス装置の設計と製造サイクルが短縮されるため、生産準備工程がスピードアップする。

ツールマガジンと自動工具交換装置を備えたCNC工作機械では、1回のクランプで複数の連続加工工程を完了できるため、半製品の回転時間が短縮され、生産効率の向上がより明確になる。

4) 高度な自動化。

労働集約度は低い。CNC工作機械による部品の加工は、あらかじめプログラムされたプログラムに従って自動的に行われる。オペレーターの主な作業は、プログラム編集、プログラム入力、部品の出し入れ、工具の準備、加工状況の観察、部品の検査などで、重い手作業の繰り返しは必要ない。

そのため、労働強度は大幅に軽減され、工作機械オペレーターの作業は知的作業に向かう傾向にある。また、CNC工作機械は一般的に密閉された状態で加工を行うため、清潔で安全である。

5) 現代的な生産管理を促進する。

プログラム制御による加工は、品種変更に便利である。また、1台の機械で多連加工を行うことで、生産工程の管理が簡素化され、管理要員の数を減らすことができ、無人生産を実現できる。機械加工にCNC工作機械を使用することで、一つの製品の作業時間を正確に計算し、合理的に生産を手配することができる。

CNC工作機械は、デジタル情報と標準コード処理を使用して機械加工を制御し、生産工程の自動化の条件を整え、検査、作業治具、半製品間の情報伝達を効果的に簡素化する。

CNC加工の利点と欠点

CNC加工には次のような利点がある：

必要な工具の数を減らし、複雑な形状の部品を加工するための複雑な工具を不要にする。

部品の形状やサイズを変更する必要がある場合は、その部品の加工プログラムを変更するだけでよいので、新製品の開発や改造に最適です。

加工品質が安定しており、高い精度と再現性があるため、航空機の厳しい加工要件に適している。

従来の方法では加工が困難な複雑な形状にも効率的に対応でき、加工中に見えない部分にも対応できる。

CNC加工の欠点

NC加工の欠点は、機械設備のコストがかなり高いことと、メンテナンス担当者に高度な専門知識が要求されることである。

CNC加工のステップ

CNC加工は、現在最も広く使われている加工方法である。

CNC加工を行う場合、その特性を理解するだけでなく、加工効率を向上させるための工程を理解することが重要である。

CNC加工にはどのような工程がありますか？

1.加工図面を分析し、加工工程を決定する。

顧客から提供された加工図面に基づいて、加工担当者は形状、寸法精度を分析することができます、 表面粗さ部品の材質、ブランクの種類、熱処理の状況。これらの情報は、工作機械と工具の選択、位置決めとクランプ装置の決定、加工方法、順序、切削パラメーターの決定に使用される。

加工工程を決定する際には、使用するCNC工作機械の制御能力を考慮しなければならない。そうすることで、工作機械の効率が最大化され、より効率的な加工経路となり、工具の移動時間が短縮され、加工時間が短縮される。

2.ツールパスの座標値を合理的に計算する。

工具経路の中心の運動軌跡を計算するために、加工部品の幾何学的寸法と設定されたプログラミング座標系が考慮される。その結果、すべての工具位置データが決定されます。

最も CNCシステム は、直線補間と円弧補間の機能を持っている。直線や円弧のような比較的単純な平面部品の処理では、幾何学的要素の始点と終点、円弧の中心（または半径）、交点または接点の座標値が計算されます。

NCシステムに ツールコンペンセーション の場合、工具中心の動作経路の座標値を計算する必要があります。

それ以上の部品については 複雑な形状非円形の曲線やサーフェスで構成されている場合、実際の曲線やサーフェスを直線セグメント（または円弧セグメント）で近似し、必要な加工精度に基づいて節点の座標値を計算する必要があります。

3.部品CNC加工プログラムのコンパイル

部品の工具経路に基づいて、工具の移動データ、決定されたプロセスパラメータと補助動作が計算されます。

次にプログラマは、使用するNCシステムで指定された機能命令とプログラムセクションのフォーマットに従って、パート処理プログラムをセクション単位で記述する。

を考慮すべきである：

• プログラムの文章を標準化し、分かりやすさとコミュニケーションを向上させる；
• 使用するCNC工作機械の性能と命令を十分に理解し、プログラムセグメントを記述する際に各命令を効果的に活用すること。

CNC加工では、この3つのステップを踏むことで、より効率的に加工を進めることができる。

CNC加工の応用

CNC工作機械の性能特性は、CNC加工の適用範囲を決定する。CNC加工では、対象物はその適性によって3つのカテゴリーに分けられる。

1) 最も適したカテゴリー

加工精度が高く、複雑な形状や構造を持つ部品、特に複雑な曲線や表面輪郭を持つ部品、開口していない空洞を持つ部品。このような部品は、一般的な工作機械では加工や検査が難しく、加工品質を保証することが困難であり、複数の加工をワンクランプで完了させる必要がある。

2) より適切なカテゴリー

ブランクの入手が困難で、スクラップにできない高価な部品。このような部品は、通常の工作機械で加工すると、規格外品やスクラップ品になりやすい。

信頼性については、CNC工作機械での加工、一般的な工作機械での加工では効率が低く、労働集約度が高く、品質管理が困難な部品、モデルチェンジや性能試験に使用される部品（良好な寸法一貫性が要求される）、多品種、多仕様、単品、小ロットの生産部品などに選択できる。

3) 不適切なカテゴリー

手作業による位置決めだけに頼る部品、CNC工作機械に部品の位置座標を自動的にチェック・調整できるオンライン検査システムがない場合、加工許容範囲が非常に不安定な部品、特定のプロセス機器を使用しなければならない部品、テンプレートに頼らなければならない部品、加工用のサンプル部品、大量生産が必要な部品。

CNC工作機械の性能の向上、機能の完成、コストの削減、CNC加工工具と補助工具の性能の継続的な向上、CNC加工技術の継続的な向上により、大規模生産における高自動化、高精度、集中操作のCNC工作機械の使用は徐々に増加している。